38. Факторы, определяющие характер переноса металла при дуговой сварке плавлением.

Характер плавления и переноса электродного металла оказывает большое влияние на производительность сварки, взаимодействие металла со шлаком и газами; от него зависят устойчивость горения дуги, потери металла, формирование шва и другие технологические факторы.

При сварке покрытыми электродами скорость плавления электрода зависит и от толщины покрытия. Утолщение покрытия приводит к дополнительным затратам теплоты на его плавление, а также к увеличению мощности, выделяемой в столбе дуги. У электродов без металлических добавок в покрытии увеличение толщины покрытия ведет к бесполезным затратам на его плавление. Вводя в покрытие металлические добавки или железный порошок, можно существенно увеличить скорость наплавки. Увеличение толщины покрытия и повышение содержания в нем железного порошка позволяют значительно повысить плотность тока без опасения перегрева стержня электрода. Все эти факторы способствуют увеличению производительности сварки.

Сила поверхностного натяжения обеспечивает капле сферическую форму. Электромагнитные силы играют важнейшую роль в отрыве и направленном переносе капель к сварочной ванне при сварке швов в любом пространственном положении. Электрический ток, проходя по электроду, создает вокруг него магнитное поле, оказывающее сжимающее действие. Сжатие расплавленной части электрода приводит к образованию шейки у места перехода к твердому металлу. По мере уменьшения ее сечения и возрастания плотности тока жидкий металл формируется и отделяется в виде сферической капли.

Схема сжимающего действия электромагнитных сил на жидкую каплю электродного металла

При этом капля за счет действия электромагнитной силы приобретает направленность движения к сварочной ванне. Сила внутреннего давления газов также участвует в переносе капли. Расплавленный металл на электроде сильно перегрет. Образующиеся в нем газы способствуют отрыву его от торца электрода и могут раздробить на более мелкие капли.

При дуговой сварке плавящимся электродом различают три типа переноса электродного металла: крупнокапельный, мелкокапельный, или струйный, и перенос с образованием коротких замыканий дуги.

Характер переноса капель с электрода в сварочную ванну зависит от силы сварочного тока и напряжения дуги.

Установлено, что с увеличением силы тока размер капель уменьшается, а число их, образующихся в единицу времени, возрастает. С увеличением напряжения дуги, наоборот, размер капель увеличивается, а число их уменьшается. Так, при сварке голой проволокой на малых токах (плотностях) жидкий металл переходит в сварочную ванну в виде крупных капель с кратковременными замыканиями дугового промежутка, а при сварке покрытыми электродами и под флюсом на обычных плотностях тока - в виде мелких капель без замыкания дугового промежутка. При сварке в защитных газах и под флюсом тонкой проволокой на повышенных плотностях тока наблюдается мелкокапельный (струйный) перенос металла. В этом случае очень мелкие капли образуют сплошную коническую струю жидкого металла, переходящего в шов также без коротких замыканий, что уменьшает разбрызгивание металла и улучшает формирование швов.

Виды переноса металла.

В зависимости от условий сварки, силы, плотности и формы кривой тока, вида защиты, полярности дуги, можно выделить 5 основных видов переноса металла в дуге.

	Вид переноса	Типовые примеры
1	с коротким замыканием, крупнокапельный	ручная сварка при плотности тока i ≤ 10 А/мм2
2	с коротким замыканием, мелкокапельный	сварка в CO2
3	без короткого замыкания, мелкокапельный	сварка под флюсом с i > 10 А/мм2
4	Струйный	сварка в инертных газах тонкой проволокой i > 10 А/мм2
5	парами металла	при всех видах сварки плавлением, как дополнение к другим видам переноса

Характер переноса металла оказывает значительное влияние на интенсивность химических процессов в дуге и ванне. От него зависит устойчивость процесса, разбрызгивание металла, формирование шва.

Пример: При автоматической сварке (механизированной) в процессе сварки желателен струйный перенос, гарантирующий лучшее формирование и качество сварного шва.

Поскольку перенос металла зависит от множества факторов, рассмотрим наиболее важные из них.

Силы, действующие на расплавленный металл в дуге.

1. Сила тяжести.

2. Сила поверхностного натяжения.

3. Электродинамические силы (см. курс лекций за 1 семестр, стр.21).

4. Реактивные силы и плазменные потоки.

Силы тяжести способствуют переносу металла в нижнем положении и препятствуют в потолочном. Их влияние особенно заметно при сварке на малых токах, т.к. в этом случае электродинамические силы сравнительно невелики.

Силы поверхностного натяжения являются основными силами, удерживающими каплю на торце электрода. Эти силы придают капле жидкости сферическую форму, кроме того, удерживают каплю в потолочном положении, а также всасывают каплю в жидкую сварочную ванну. Эти силы создают внутри капли радиуса R избыточное давление:

,

где - коэффициент поверхностного натяжения, равный отношению силы, действующей на границе поверхности плёнки жидкости к единице длины этой плёнки. Это работа сил поверхностного натяжения, затрачиваемая на образование единицы поверхности [Дж/м]. Чем меньше a, тем мельче капли жидкости, больше их суммарная поверхность, интенсивнее идут химические реакции, и возрастает вероятность перехода мелкокапельного переноса в струйный.

Взаимодействие жидкого металла с газами и шлаком изменяет его поверхностное натяжение (например, кислород снижает поверхностное натяжение стали, поэтому при сварке в инертном газе в него добавляют до 5% O₂). Поверхностное натяжение снижается при повышении температуры капель.

При сварке на постоянном токе обратной полярности анодное пятно возникает на поверхности жидкой капли электродного металла. С увеличением тока размер анодного пятна растёт, но плотность тока в нём остаётся постоянной. Следовательно, перегрев капли металла, и её кипение наступает при меньших токах, чем при сварке на прямой полярности и химические реакции идут интенсивнее. При увеличении плотности тока до 20 А/мм² и выше наблюдается ”электрокапиллярный эффект”. Его суть в понижении a и переходе от капельного переноса к струйному.

Электродинамические силы радиально сжимают каплю на торце плавящегося электрода. Они сильно влияют на перенос металла через дугу, особенно при больших токах, так как величина электродинамических сил пропорциональна квадрату силы сварочного тока.

С труйный перенос характерен для газоэлектрической сварки. Он сопровождается образованием конуса металла на конце электрода. При этом размер капель монотонно уменьшается.

П ри некотором значении критического тока капельный перенос переходит в струйный. При сварке на обратной полярности I_кр больше, чем I_кр при сварке на прямой полярности.

Обхват дугой торцов электрода способствует струйному переносу. С увеличением d_эл критический ток растёт почти линейно, а плотность тока i падает по гиперболической кривой.